1．引言
随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施可持续发展的能源政策，其中利用太阳能电池发电最受瞩目。由于太阳能电池发电具有安全可靠，无污染无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护方便等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，因此受到各国高度重视和加强[5]。而随着应用的普及，家用光伏发电装置相应的也将会越来越多，家用光伏发电装置既要满足用户的需求，又要有可靠性和安全性，基于此，本文针对独立与并网的双重功能进行了研究与设计，实验结果证明了设计方案的可行性。
2．系统结构
图1 逆变系统的基本结构组成
逆变系统是将直流电变换成交流电，其核心是逆变电路，即通过电力电子器件的开通与关断，完成逆变功能。电力电子器件的开通与关断需要合适的控制信号。根据系统的实际需要，本文所设计的逆变系统主要由主电路、控制电路、保护电路、通讯电路、辅助电源、输入、输出滤波等几部分组成，逆变系统采用的基本结构框图如图1所示，控制核心选用TI公司TMS320F2812 DSP芯片。
3．主电路结构及参数设计
逆变器的主电路结构形式多种多样，根据本系统的控制目标，采用单相全桥型带有工频隔离变压器的主电路结构，输入端加入了防反二极管与限流电阻，主电路原理图如图2所示。
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安徽省科技厅年度重点计划项目：家庭太阳能光伏电源的应用开发（06022010）。
国家自然科学基金项目（项目编号：50707003）
当工作在独立逆变模式的时候，采用LC滤波；当逆变器工作在并网模式的时候，为了减少电容滤波对相位的影响采用L滤波，将电容C通过开关断开。
图2 主电路原理图
考虑到容量与频率等因素，系统主电路的开关管选择电力MOSFET。其中，滤波电感的选择是要尽可能滤除调制波的高次谐波分量，提高输出波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出波形质量，要求一个采样周期中，电感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波 。滤波电容的作用是和滤波电感一起滤除输出电压中的高次谐波，从而改善输出电压的波形，滤波电容越大输出电压的THD值越小。然而从电路来看，在输出电压不变的情况下，增大滤波电容会使滤波电容的电流增加，逆变器的无功能量增大，损耗增加，效率降低，因此，滤波电容又不宜太大。所以，滤波电容的选取原则是在保证输出电压的THD值满足要求的情况下，取值尽量小。同时应尽可能使用高频特性较好、损耗较小的CBB电容[4]。本文设计的逆变器的功率器件开关频率为15KHz，设计截止频率 为2KHz。考虑到系统裕量，经计算与综合考虑，选择滤波电感9mH，滤波电容3uF。
4．控制电路结构及控制策略
控制电路主要包含：信号检测电路，驱动电路，保护电路，通讯电路四个部分，如图3所示。
控制策略主要采用PI控制。其中，独立逆变采用电压平均值外环和电压瞬时值内环的双闭环控制方案，实现电压的稳定输出；并网逆变采用CVT型最大功率点跟踪，通过电压的实时跟踪产生电流内环的参考电流，电流内环采用瞬时值反馈实现对并网电流的跟踪控制，实现太阳能量馈入电网。
4.1独立逆变控制
独立逆变采用电压平均值外环、电压瞬时值内环反馈的双闭环控制系统，控制框图如图4所示。其中，电压平均值外环调节器为PI调节，电压瞬时值内环调节器为P调节。输出电压平均值反馈值 和电压给定信号 的误差经过PI调节器形成电压内环的幅值给定，然后乘以离散的正弦表格，形成离散的正弦电压信号作为电压瞬时值内环的给定，电压瞬时值给定值与反馈值的误差信号再经过P调节器产生PWM控制信号，将此信号写入到DSP内部的比较寄存器CMPR1、CMPR2，与三角载波比较后产生4路PWM1~ PWM4开关信号，控制主电路中功率器件的通断。产生的高频SPWM信号经过输出LC滤波器滤波后产生标准的正弦输出电压，然后经升压变压器升压至220V/50Hz，保证了输出电压的稳定。
4.2 并网逆变控制
1）太阳能光伏并网
并网逆变采用直流电压外环、并网电流内环控制策略。其中，直流电压外环采用PI调节器实现太阳能光伏组件的最大功率点跟踪，其输出为并网电流的幅值给定。系统首先检测电网电压频率、相位，经过锁相环节使并网电流与电网电压同相位，并网电流给定值乘以离散的正弦表格数据作为并网电流给定值 ，电流内环调节器采用P调节器。将P调节器的输出值写入CMPR1、CMPR2，与三角载波比较后产生4路PWM1~PWM4信号，控制主电路中功率器件的导通与关断，产生的高频SPWM信号经过电感L滤波后产生与电网电压同相位的标准正弦并网电流，经电感L滤波后向电网输入同频同压的并网电流，并网逆变控制框图如图5所示。
图5 太阳能光伏并网控制框图
2）蓄电池并网
为了将蓄电池中多余的能量回馈到电网，必须使系统工作在蓄电池并网状态。在这种状态下，并网电流大小是由蓄电池的放电曲线来定的[8]。为了合理保护蓄电池，防止放电电流过大和蓄电池过放，本文通过实时采样蓄电池的端电压和放电电流，将蓄电池能量回馈到电网。蓄电池并网控制框图见图6所示。
图6 蓄电池并网控制框图
5．通讯部分
通讯部分主要是完成系统的状态显示与参数设定，本系统中上位机采用Microchip公司生产的8位单片机PIC16F877A，它与TMS320F2812的串口通讯采用RS-485通信协议，通过两个MAX485芯片来实现两者的数据交换，通讯原理示意图如图7所示。
图7 串口通讯原理框图
6．系统软件设计
系统的软件采用模块化设计，主要包括四个部分：主程序，定时器中断程序，捕捉中断程序，功率保护中断程序。其中，主程序主要是检测装置的运行状态是否正常及上位机发来的命令，同时等待中断的到来；定时器中断主要是完成AD检测及SPWM的产生；捕捉中断主要是完成并网逆变中的锁相目的，保证并网电流与电网电压同步。
7．实验结果与结论
逆变器处于独立逆变时，带电阻性负载，输出功率约为210W，逆变器输出电压、电流波形如图8所示。逆变器处于并网模式工作时，并网电流与电网电压波形如图9所示，图中紫色为电网电压波形，绿色为并网电流波形，两者同频同相，实现了并网的单位功率因数。
图8 独立逆变时输出电压电流波形 图9 电网电压和并网电流波形
由图8可知，逆变器工作在独立逆变状态时，可以输出理想的正弦电压波形；从图9可知，逆变器并网时的输出电流与电网电压基本同频同相，实现了并网时的单位功率因数。
参考文献
[1] 王兆安等. 电力电子技术[M]. 机械工业出版社, 2002.
[2] 陈道炼. DC-AC逆变技术及其应用[M]. 机械工业出版社, 2005.
[3] 李学海. PIC单片机实用教程- 基础篇[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.01.
[4] 张占松. 开关电源的原理与设计[M]. 电子工业出版社, 2004.
[5] 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究. 合肥工业大学博士论文, 2003.
[6] A.K. Mukerjee, Nivedita Dasgupta.DC power supply used as photovoltaic simulator for testing MPPT algorithms[J]. Renewable Energy 32 (2007) 587–592.
[7] Zheng shicheng, Liu We. Research and implementation of photovoltaic charging system with maximum power point tracking[C]. ICIEA2008.
[8] 欧阳名三, 余世杰等. 一种太阳能电池 MPPT 控制器实现及测试方法的研究[M]. 电子测量与仪器学报, 18(2): 30~34.
作者简介
郑诗程，男，1972年生，博士，副教授，研究方向新能源发电技术、电力电子功率变换技术。
张高玉，女，1985年生，硕士研究生。
刘伟， 男，1982年生，硕士研究生。